JP4948012B2 - Surface emitting laser element and method for manufacturing surface emitting laser element - Google Patents
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本発明は、少なくとも上部反射鏡を含むメサポストを形成する面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a surface emitting laser element for forming a mesa post including at least an upper reflecting mirror and a method for manufacturing the surface emitting laser element.
垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、面発光レーザ素子と称す。)は、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、基板面に対して垂直方向にレーザ光が射出される構造を有する。このため、面発光レーザ素子は、従来の端面発光型レーザ素子と比較して、素子の2次元配列を容易に形成できる。また、面発光レーザ素子は、端面発光型レーザ素子と異なり、ミラーを設けるために劈開する必要がないことや、活性層の体積が格段に小さいため極低閾値でレーザ発振が可能であり、消費電力が小さいこと等の利点を有する。このような面発光レーザ素子は、通信用光源として使用されるほか、ギガビットイーサーネットやファイバーチャネル等のデータコム通信における高速光伝送の信号光源としての使用に注目が集まっている。 In a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), the direction in which light resonates is perpendicular to the substrate surface, and is perpendicular to the substrate surface. Has a structure in which laser light is emitted. For this reason, the surface-emitting laser element can easily form a two-dimensional array of elements as compared with the conventional edge-emitting laser element. In addition, unlike edge-emitting laser elements, surface-emitting laser elements do not need to be cleaved to provide a mirror, and the volume of the active layer is extremely small, so that laser oscillation is possible at an extremely low threshold. There are advantages such as low electric power. Such a surface emitting laser element is used not only as a light source for communication but also as a signal light source for high-speed optical transmission in datacom communication such as gigabit Ethernet and fiber channel.
面発光レーザ素子は、GaAsまたはInPである半導体基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡間に活性層が設けられた構造を有する。特にGaAs系面発光レーザ素子は、熱伝導が良好で反射率の高いAlGaAs系多層膜反射鏡を構成できるため、0.8〜1.0μm帯のレーザ光を発光できる。また、活性層にGaInNAs系材料を用いた面発光レザ素子は、1.2〜1.6μmnの長波長帯のレーザ光を発光できる。このような面発光レーザ素子として、電流効率を高め、閾値電流値を下げるために、AlAs酸化層を形成し電流注入領域を狭窄する構造を構成する電流狭窄型の面発光レーザ素子が提案されている(特許文献1および特許文献2参照)。 The surface-emitting laser element has a structure in which an active layer is provided between a pair of semiconductor multilayer mirrors on a semiconductor substrate of GaAs or InP. In particular, a GaAs surface emitting laser element can constitute an AlGaAs multilayer mirror having good thermal conductivity and high reflectance, and can emit laser light in the 0.8 to 1.0 μm band. A surface emitting laser element using a GaInNAs-based material for the active layer can emit laser light in a long wavelength band of 1.2 to 1.6 μm. As such a surface emitting laser element, a current confining type surface emitting laser element is proposed in which an AlAs oxide layer is formed to confine the current injection region in order to increase the current efficiency and reduce the threshold current value. (See Patent Document 1 and Patent Document 2).
図8は、従来の面発光レーザ素子の構成を例示する断面模式図である。図8に示すように、面発光レーザ素子101は、n−GaAsである基板102上に、順に、それぞれの厚さがλ/4n(λは発振は長であり、nは屈折率である。)のn−Al0.9Ga0.1As/n−Al0.2Ga0.8Asを35ペア積層した下部多層膜反射鏡103と、下部クラッド層105と、多重量子井戸構造の活性層106と、上部クラッド層107と、それぞれの厚さがλ/4nのp−Al0.9Ga0.1As/n−Al0.2Ga0.8Asを25ペア積層した上部多層膜反射鏡108とが積層された構造のメサポストMP5を有する。また、上部多層膜反射鏡108のうち活性層106近傍側の一層には、メサポストMP5の中軸上に位置する電流注入領域108cと、Al酸化層で形成された酸化領域108bを有する電流狭窄層108aが設けられている。この電流狭窄層108aは、レーザ光を閉じ込める光閉じ込め層としても機能する。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a conventional surface emitting laser element. As shown in FIG. 8, the surface emitting laser element 101 has a thickness of λ / 4n (λ is a long oscillation and n is a refractive index) in order on a substrate 102 made of n-GaAs. ) N-Al 0.9 Ga 0.1 As / n-Al 0.2 Ga 0.8 As of 35 pairs, a
上部多層膜反射鏡108の上部には、電極パッド112と接続するリング状のp側電極110が形成され、基板102の裏面にはn側電極111が形成されている。また、メサポストMP5の周囲にはポリイミド層109が配置されている。p側電極110は、メサポストMP5の上面部中央に開口部を有し、この開口部は、活性層106で発生したレーザ光Lを外部に出力するための射出窓として機能する、
A ring-shaped p-
かかる構成によって面発光レーザ素子101は、p側電極110とn側電極111との間に適当な電圧が印加された場合、p側電極110の中央開口部からメサポストMP5の上方に向けて、たとえば波長850nmのレーザ光Lを射出する。
With this configuration, when a suitable voltage is applied between the p-
ところで、面発光レーザ素子101においては、上部多層膜反射鏡108を積層した後、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって、電流狭窄層108aに対応する半導体層よりも下方の層に達する深さの切頭円錐状のメサポストMP5が形成される。このメサポストMP5を形成することによって、積層された各半導体層の端面が露出することとなる。そして、メサポストMP5を形成した後、たとえば水蒸気雰囲気中における約400℃の酸化処理を行うことによって、メサポストMP5の外側から電流狭窄層108aに対応する半導体層のAlを選択的に酸化して酸化領域108bを形成する。図8に示す面発光レーザ素子101においては、電流狭窄層108aに対応する半導体層を他の上部多層膜反射鏡108を構成する膜よりもAl組成比が高いAl0.98Ga0.02As層または30nm程度のAlAs薄膜層によって形成することによって、選択的に酸化させるとともに、Al酸化層への転化による体積収縮を低減している。
By the way, in the surface-emitting laser element 101, after the
しかしながら、電流狭窄層108aを形成する酸化処理に置いては、メサポストMP5を形成する各半導体層の端面も露出するため、各半導体層端面も強い酸化条件にさらされる。このため、図9に示すように、上部多層膜反射鏡108のうち低屈折率側の層でありAl組成の高いAl0.9Ga0.1As層がメサポストMP5の周囲に沿って円環状に酸化されてしまい、数百nm程度の酸化領域108dが形成されてしまっていた。このAl0.9Ga0.1As層は、レーザ光の波長λに対してλ/4nとなるように設計されているため、膜厚が厚く、さらにペア数が多く多層積層されている。このように、Al酸化層への転化による体積収縮を完全に防止することができず、この体積の収縮により発生する応力は、面発光レーザ素子の信頼性低下の原因となる可能性がある。
However, in the oxidation treatment for forming the
特に、図8に示すように、メサポストMP5部分に活性層106がありメサポスト側面に活性層端面が露出している場合には、Al酸化層への転化による体積収縮により発生する応力によって、活性層端面に欠陥が生じやすくなり、活性層106自体が損傷するという問題があった。
In particular, as shown in FIG. 8, when the
具体的に図10および図11を用いて説明する。図10および図11は、図8に示した面発光レーザ素子101のメサポストMP5内の活性層106に生じた転位を説明する模式図であって、活性層106をレーザ光Lの射出方向から見た断面図として示している。まず、図10に示すように、上部多層膜反射鏡108の酸化による体積変化に起因する応力およびメサポストMP5を形成するためのエッチング工程で与えられるダメージによって、活性層106の周縁部に複数の転位DLが生じる。
This will be specifically described with reference to FIGS. 10 and 11. 10 and 11 are schematic views for explaining dislocations generated in the
面発光レーザに通電を続けた場合、この転位DLは、活性層106内の発光領域から導波した自然放出光の吸収に基づいて生成されるキャリアに依存して拡大し、増殖する。そして、図11に示すように、活性層106の周縁部から増殖した転位DLが発光領域EAに到達した場合に、面発光レーザ素子の故障を誘発する。
When energization is continued in the surface emitting laser, the dislocation DL expands and propagates depending on the carriers generated based on the absorption of spontaneous emission light guided from the light emitting region in the
このように、酸化による上部多層膜反射鏡108の体積収縮に起因する応力によって、活性層106自体が損傷し面発光レーザ素子における故障の原因となるという問題があった。
As described above, there is a problem that the
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、活性層を含むメサポストが形成された面発光レーザ素子において、活性層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and in a surface-emitting laser element in which a mesa post including an active layer is formed, a highly reliable surface-emitting laser element and surface-emitting laser element with reduced damage to the active layer It aims at providing the manufacturing method of.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる面発光レーザ素子は基板上に形成された活性層と、外部から注入された電流を狭窄して前記活性層に供給する電流狭窄層と、前記基板と前記活性層との間に形成された下部反射層と、前記活性層上に形成された上部反射鏡とを備え、前記活性層中の発光領域を囲む溝を設けて少なくとも前記上部反射鏡を含むメサポストが形成される面発光レーザ素子において、前記溝の外側に、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの断面が形成されることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a surface emitting laser device according to the present invention includes an active layer formed on a substrate and a current supplied to the active layer by confining an externally injected current. A constriction layer, a lower reflective layer formed between the substrate and the active layer, and an upper reflector formed on the active layer, and a groove surrounding a light emitting region in the active layer is provided In the surface emitting laser element in which the mesa post including at least the upper reflecting mirror is formed, a cross section having a depth reaching the semiconductor layer corresponding to the current confinement layer is formed outside the groove.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記断面は、前記溝が設けられる前に形成されることを特徴とする。 In the surface-emitting laser element according to the present invention, the cross section is formed before the groove is provided.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記電流狭窄層は、前記断面形成後の酸化処理において、前記断面を介して前記電流狭窄層に対応する半導体層の一部領域が酸化されることによって形成されることを特徴とする。 Further, in the surface emitting laser element according to the present invention, in the current confinement layer, a partial region of the semiconductor layer corresponding to the current confinement layer is oxidized through the cross section in the oxidation treatment after the cross section is formed. It is characterized by being formed by.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記溝は、前記酸化処理が行われた後に形成されることを特徴とする。 In the surface emitting laser element according to the present invention, the groove is formed after the oxidation treatment is performed.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記断面は、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの孔を設けて形成されることを特徴とする。 In the surface emitting laser element according to the present invention, the cross section is formed by providing a hole having a depth reaching the semiconductor layer corresponding to the current confinement layer.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記孔は、同心円上に複数設けられることを特徴とする。 The surface emitting laser element according to the present invention is characterized in that a plurality of the holes are provided on concentric circles.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記断面は、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの他の溝を設けて形成されることを特徴とする。 In the surface emitting laser element according to the present invention, the cross section is formed by providing another groove having a depth reaching the semiconductor layer corresponding to the current confinement layer.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記溝は、前記活性層を分断する深さを有することを特徴とする。 Further, in the surface emitting laser element according to the present invention, the groove has a depth for dividing the active layer.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記電流狭窄層に対応する半導体層は、前記上部反射鏡内の所定の半導体層、前記上部反射鏡に隣接する所定の半導体層、前記下部反射鏡内の所定の半導体層、または、前記下部反射鏡に隣接する所定の半導体層であることを特徴とする。 In the surface emitting laser element according to the present invention, the semiconductor layer corresponding to the current confinement layer includes a predetermined semiconductor layer in the upper reflecting mirror, a predetermined semiconductor layer adjacent to the upper reflecting mirror, and the lower reflecting mirror. And a predetermined semiconductor layer adjacent to the lower reflecting mirror.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記上部反射鏡および前記下部反射鏡は、AlGaAs系半導体層を含むことを特徴とする。 The surface emitting laser element according to the present invention is characterized in that the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror include an AlGaAs-based semiconductor layer.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法は、基板上に下部反射層と活性層と電流狭窄層に対応する半導体層と上部反射鏡とを積層して半導体積層体を形成する積層工程と、前記半導体積層体に対し、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの断面を形成する断面形成工程と、前記断面を介して前記電流狭窄層に対応する半導体層の一部領域を酸化する酸化工程と、前記酸化工程後に前記断面の内側に前記活性層中の発光領域を囲む溝を設けて少なくとも前記上部反射鏡を含むメサポストを形成するメサポスト形成工程と、を含むことを特徴とする。 Also, the method of manufacturing the surface emitting laser device according to the present invention includes a stacking step in which a semiconductor layer is formed by stacking a lower reflective layer, an active layer, a semiconductor layer corresponding to a current confinement layer, and an upper reflector on a substrate. And a cross-section forming step for forming a cross section having a depth reaching the semiconductor layer corresponding to the current confinement layer, and a partial region of the semiconductor layer corresponding to the current confinement layer via the cross section. And a mesa post forming step of forming a mesa post including at least the upper reflector by providing a groove surrounding the light emitting region in the active layer inside the cross section after the oxidation step. And
本発明にかかる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法によれば、メサポストを形成する溝の外側に電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの断面を形成し酸化処理を行うことによって、活性層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子を実現することができる。 According to the surface-emitting laser element and the method for manufacturing the surface-emitting laser element according to the present invention, the cross-section having a depth reaching the semiconductor layer corresponding to the current confinement layer is formed outside the groove for forming the mesa post and the oxidation treatment is performed. Thus, a highly reliable surface-emitting laser element with reduced damage to the active layer can be realized.
以下、添付図面を参照して、本発明にかかる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法について説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実と異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。 Hereinafter, a surface emitting laser element and a method for manufacturing the surface emitting laser element according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In the description of the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals. Further, the drawings are schematic, and it should be noted that the relationship between the thickness and width of each layer, the ratio of each layer, and the like are different from the actual ones. Also in the drawings, there are included portions having different dimensional relationships and ratios.
(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態1にかかる面発光レーザ素子について説明する。図1は、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。図1に示すように、実施の形態1にかかる面発光レーザ素子1は、p−GaAsである基板2上に、順に、下部多層膜反射鏡3と、下部クラッド層5と、多重量子井戸構造の活性層6と、上部クラッド層7と、上部多層膜反射鏡8とが積層された構造を有する。この面発光レーザ素子1は、活性層6中の発光領域を囲む環状溝21を設けることによって、下部多層膜反射鏡3の上端部から上の積層部を含む切頭円錐状のメサポストMP1が形成されている。また、面発光レーザ素子1には、環状溝21の外側に環状溝21とは別個の環状溝22が形成されている。
(Embodiment 1)
First, the surface emitting laser element according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the surface emitting laser element according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, a surface emitting laser element 1 according to a first embodiment includes, in order, a
下部多層膜反射鏡3は、分布反射型反射鏡(DBR:Distributed Bragg Reflector)として形成され、たとえばp−Al0.9Ga0.1As/p−Al0.2Ga0.8Asを1ペアとして35ペア積層した構造を有する。また、上部多層膜反射鏡8は、分布反射型反射鏡として形成され、たとえばn−Al0.9Ga0.1As/n−Al0.2Ga0.8Asを1ペアとして25ペア積層した構造を有する。なお、下部多層膜反射鏡3および上部多層膜反射鏡8を形成する各半導体層の厚さは、λ/4n(λ:発振波長、n:屈折率)である。
The
下部多層膜反射鏡3の上端層には、メサポストMP1の中軸上に電流注入領域3cを有する電流狭窄層3aが形成されている。電流狭窄層3aは、下部多層膜反射鏡3の上端にAlAs層を積層し、環状溝22形成後の酸化処理において環状溝22を介してAlAs層の一部領域が酸化されることによって形成される。このため、電流狭窄層3aにおいて、酸化されていない中央の非酸化AlAs層は開口部として電流注入領域3cを構成し、電流注入領域3cの開口外周から外側は、酸化によって絶縁性を有する酸化領域3bを構成する。この電流狭窄層3aは、p側電極11から注入される電流を狭窄して活性層6内の電流密度を高める。また、酸化領域3bは、開口外周から外側が酸化により開口内部と異なる屈折率を有するため、光閉じ込め層として発振横モードを制御する機能を有する。なお、図1においては、電流狭窄層3aに対応するAlAs層は、下部多層膜反射鏡3の上端のほか、下部多層膜反射鏡3内の活性層6近傍側、または、下部多層膜反射鏡3に隣接して形成されてもよい。
A
下部クラッド層5および上部クラッド層7は、活性層6を上下から挟み込むように積層され、活性層5とともに光共振器を形成する。下部クラッド層5は、たとえばp−Al0.3Ga0.7Asによって形成され、上部クラッド層7は、たとえばn−Al0.3Ga0.7Asによって形成される。なお、光共振器内に生成される定在波の腹が活性層6の層厚方向の中心部にくるように、下部クラッド層5および上部クラッド層7は、互いにほぼ等しい光学長を実現する膜厚を有することが好ましい。
The
活性層6は、たとえばGaAs/Al0.2Ga0.8Asからなる多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)構造を有する。活性層6は、p側電極11から注入され、電流狭窄層3aによって狭窄された電流に応じて光を放出する。この活性層6の発光領域から放出された自然放出光は、下部クラッド層5および上部クラッド層7が形成する光共振器によって増幅され、上部多層膜反射鏡8の上面部からレーザ光Lとして射出される。
The
上部多層膜反射鏡8の上部には電極パッド12に接続されたn側電極10が形成され、n側電極10に対向する基板2裏面にはp側電極11が形成されている。n側電極10は、メサポストMP1の上面部中央に、レーザ光Lを外部に射出する射出窓としての開口部を有する。また、メサポストMP1の周囲にはSiN膜によって形成された絶縁層9が形成されている。
An n-
つぎに、図2を参照し、面発光レーザ素子1に形成される環状溝21,22について説明する。図2は、面発光レーザ素子1を上方から見た場合における環状溝21,22の位置を説明する図である。面発光レーザ素子1においては、環状溝21を設けることによって切頭円錐状のメサポストMP1を形成している。この環状溝21の底部は下部クラッド層5に達しており、環状溝21は、活性層6を分断する深さを有する。また、環状溝21は、活性層6中の発光領域を囲んでおり、酸化領域3cを十分に囲むことができる内径を有する。たとえば、環状溝21の深さは約5μm程度であり、環状溝21の内径は約30μmである。なお、メサポストMP1は、環状溝21形成におけるエッチング工程の影響によって略円錐台形状を有する。
Next, the
面発光レーザ素子1においては、図2に示すように、メサポストMP1を形成する環状溝21の外側に、さらに環状溝22が形成される。この環状溝22は、電流狭窄層3aに対応するAlAs層に達する深さを有する。たとえば、環状溝22の内径は約50μmであり、環状溝22の溝幅は約10μmである。また、環状溝22は、環状溝21が形成される前に形成される。そして、環状溝22が形成された後に、電流狭窄層3aに対応するAlAs層を酸化する酸化処理が行われ、この酸化処理後に環状溝21が形成される。なお、環状溝21と環状溝22とに挟まれた領域は、環状溝21および環状溝22形成のためのエッチング工程の影響によって上方ほど幅が狭くなる略台形の断面形状の円環状になっている。
In the surface emitting laser element 1, as shown in FIG. 2, an
つぎに、図1に示す面発光レーザ素子1の製造方法について説明する。図3−1〜図3−5は、図1に示す面発光レーザ素子1の製造方法を説明する図である。まず、図3−1に示すように、エピ成長によって、基板2上に、下部多層膜反射鏡3、下部クラッド層5、活性層6、上部クラッド層7、上部多層膜反射鏡8を積層して半導体積層体を形成する。なお、下部多層膜反射鏡3の最上層には、電流狭窄層3aに対応するAlAs層3dが積層される。
Next, a method for manufacturing the surface emitting laser element 1 shown in FIG. 1 will be described. 3A to 3E are diagrams for explaining a method of manufacturing the surface emitting laser element 1 shown in FIG. First, as shown in FIG. 3A, the
つぎに、図3−2に示すように、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって、環状溝22が形成される。エッチング工程においては、この環状溝22の深さが電流狭窄層3aに対応するAlAs層3dの少なくとも一部に達する深さとなるように処理条件が設定される。また、この環状溝22は、電流狭窄層3aに対応するAlAs層3dが十分に露出するようにAlAs層の下層に位置する層に達する深さを有することが望ましい。この環状溝22を形成することによって、AlAs層3dに達する深さの断面であって、AlAs層3dの端面が露出する断面が形成される。
Next, as shown in FIG. 3-2, an
つぎに、水蒸気雰囲気中において、約400℃の温度で酸化処理を行う。この結果、図3−3に示すように、AlAs層3dは、環状溝22が形成されることによって露出した端面から徐々に酸化され、酸化領域3bと電流注入領域3cに対応する非酸化領域とに選択的に酸化される。
Next, oxidation treatment is performed at a temperature of about 400 ° C. in a steam atmosphere. As a result, as shown in FIG. 3C, the AlAs
つぎに、図3−4に示すように、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって、環状溝22の内側に、電流注入領域3cに対応する非酸化領域がほぼ中央に位置するように環状溝21を設けてメサポストMP1を形成する。つぎに、図3−5に示すように、SiN膜を積層後、n側電極10に対応する領域のSiN膜を除去することによって絶縁層9を形成した後、リング形状のn側電極10を形成する。そして、基板2の裏面を適宜研磨し、基板2の厚さをたとえば200μmに調整した後、基板2の裏面にp側電極11を形成する。その後、外部端子とワイヤーで接続するための電極パッド12をリング形状のn側電極10と接触するように形成することによって面発光レーザ素子1が製造される。
Next, as shown in FIG. 3-4, by performing a photolithography process and an etching process, the
上述したように、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子1においては、メサポストMP1を形成する環状溝21を形成する前に、環状溝21の外側に少なくとも電流狭窄層3aに対応するAlAs層3dに達する深さの断面を有する環状溝22を形成後、酸化処理を行って電流狭窄層3aを形成している。言い換えると、面発光レーザ素子1は、環状溝22を形成し、酸化処理を行って電流狭窄層3aを形成した後に、メサポストMP1を形成する工程を設けている。このように、面発光レーザ素子1は、酸化処理による体積変化に起因する応力によって活性層6に対応する層の端面領域が損傷した場合であっても、この酸化処理後に環状溝21を形成し、損傷を受けた領域とメサポストMP1中の活性層6との連続性を断ったメサポストMP1を形成する。この結果、面発光レーザ素子1は、損傷領域から受ける影響を低減することができ、酸化処理に起因する活性層6の損傷を低減することができる。同様に、酸化処理による体積変化に起因する応力によって下部多層膜反射鏡3に対応する各層の上層、下部クラッド層5に対応する層、上部クラッド層7に対応する層および上部多層膜反射鏡8に対応する各層の端面領域が損傷した場合であっても、酸化処理後に環状溝21を形成することによって、損傷領域との連続性を断ったメサポストMP1を形成することができる。この結果、本実施の形態1によれば、酸化処理に起因する各層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子を実現することができる。
As described above, in the surface-emitting laser device 1 according to the first embodiment, before forming the
なお、下部多層膜半導体層3および上部多層膜半導体層8の酸化処理における酸化幅は、環状溝22の断面における露出面から数百nmから数μmの範囲である。この下部多層膜半導体層3および上部多層膜半導体層8における酸化領域をメサポストMP1から隔てるため、環状溝22の内周に対して5μm以上内側にメサポストMP1が形成されるように、環状溝21を形成することが好ましい。
The oxidation width in the oxidation treatment of the lower
また、環状溝21は、イオンプラズマエッチング法、ウェットエッチング法などを用いて形成される。ここで、電流狭窄層3a形成のための酸化処理において酸化された領域のエッチングレートと非酸化領域のエッチングレートとには差が生じる場合がある。このため、エッチングレートの差に起因する形状異常を避けるため、酸化工程時に露出していた断面近傍領域を避けてエッチングすることが好ましい。言い換えると、環状溝21は、環状溝22に対して十分内側に配置することが好ましい。この結果、正常な形状の環状溝21を安定して形成でき、メサポストMP1の形状を略円錐台形状とすることができるため、メサポストMP1の形状異常による絶縁層9の積層不良に起因する絶縁不良およびn側電極10の形状不良による接触不良を防止した高い信頼性を示す面発光レーザ素子を製造することができる。
The
また、実施の形態1においては、図2に示す円環状の環状溝21を形成した場合について説明したが、メサポストMP1形成のための環状溝21は、酸化による損傷領域とメサポストMP1領域とを隔絶する形状であればよく、たとえば図4に示すような矩形環状の環状溝21aであってもよい。この場合、電流狭窄層3a形成のための環状溝22は、環状溝21aと十分な距離を隔てることができれば足り、たとえば図4に示す環状溝22aとしてもよい。また、メサポストMP1形成のための環状溝21は、必ずしも環状である必要はなく、酸化された領域とメサポストMP1領域とを隔絶する形状であれば足りる。
In the first embodiment, the case where the annular
また、環状溝21は、少なくとも活性層6を分断する深さを有すれば足りる。環状溝21を少なくとも活性層6を分断する深さとすることによって、酸化処理時に損傷を受けた活性層端面を起点とした転移が発光領域まで到達することを防止することができる。また、環状溝21を活性層6に達する深さとすることによって、上部多層膜反射鏡8に対応する各層の酸化処理時に損傷を受けた端面と上部多層膜反射鏡8とを隔絶し、上部多層膜反射鏡8に対応する各層の酸化領域が活性層6に与える影響を低減することができる。
Further, it is sufficient for the
(実施の形態2)
つぎに、実施の形態2にかかる面発光レーザ素子について説明する。図5は、実施の形態2にかかる面発光レーザ素子を上方から見た平面図である。実施の形態2にかかる面発光レーザ素子は、図5に示すように、図2に示す環状溝22に代えて、環状溝21の外側に位置し、発光領域のほぼ中央を中心とする同心円上に複数の孔22bを備える。孔22bは、電流狭窄層3aに対応するAlAs層の少なくとも一部に達する深さを有し、電流狭窄層3aに対応するAlAs層に達する深さの断面を形成する。実施の形態2にかかる面発光レーザ素子は、図5のx−x線で切断した場合、図1に示す面発光レーザ素子1とほぼ同様の断面構造を有する。
(Embodiment 2)
Next, a surface emitting laser element according to the second embodiment will be described. FIG. 5 is a plan view of the surface emitting laser element according to the second embodiment as viewed from above. As shown in FIG. 5, the surface-emitting laser element according to the second embodiment is located on the outer side of the
この孔22bは、実施の形態1における環状溝22と同様に、メサポストMP1を形成する環状溝21を形成する前に形成され、環状溝21の外側に少なくとも電流狭窄層3aに対応するAlAs層3dに達する深さの断面を有する。実施の形態2においては、実施の形態1と同様に、孔22bを形成した後に酸化処理を行って電流狭窄層3aを形成している。言い換えると、実施の形態2においては、実施の形態1と同様に、孔22bを形成し、酸化処理を行って電流狭窄層3aを形成した後に、環状溝21を形成してメサポストを形成する。
Similar to the
電流狭窄層3aに対応するAlAs層3dは、結晶構造によって酸化処理における酸化速度に違いを有する場合がある。この場合、酸化速度が遅い結晶面方位に対応させて孔22bを設けた後、水蒸気を拡散させて酸化を進行させることによって、中央部にほぼ円形の非酸化領域である電流注入領域3c形成することができる。孔22bの形状、孔22bの個数、孔22bの配置は、酸化条件に応じて設定すればよい。
The AlAs
このように、実施の形態2によれば、実施の形態1にかかる面発光レーザ素子と同様に、酸化処理に起因する各層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子を実現することができる。 As described above, according to the second embodiment, similarly to the surface emitting laser element according to the first embodiment, it is possible to realize a highly reliable surface emitting laser element in which damage to each layer due to oxidation treatment is reduced. it can.
なお、図3−1に示す積層処理と同様の処理を行った後、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって孔22bを形成し、図3−3〜図3−5に示す各処理と同様の処理を行い、実施の形態2にかかる面発光レーザ素子を製造する。
In addition, after performing the process similar to the lamination | stacking process shown to FIGS. 3-1, the
(実施の形態3)
つぎに、実施の形態3について説明する。図6は、本実施の形態3にかかる面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。図6に示すように、実施の形態3にかかる面発光レーザ素子31は、実施の形態1と異なり、n―GaAsである基板32上にn−Al0.9Ga0.1As/n−Al0.2Ga0.8Asを1ペアとして複数ペア積層した下部多層膜反射鏡33、n−Al0.3Ga0.7Asによって形成された下部クラッド層35、p−Al0.3Ga0.7Asによって形成された上部クラッド層37、p−Al0.9Ga0.1As/p−Al0.2Ga0.8Asを1ペアとして複数ペア積層した上部多層膜反射鏡38を有する。そして、上部多層膜反射鏡38の上部には電極パッド12に接続されたp側電極40が形成され、p側電極40に対向する基板32裏面にはn側電極41が形成されている。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the surface emitting laser element according to the third embodiment. As shown in FIG. 6, the surface emitting laser element 31 according to the third embodiment is different from the first embodiment in that n-Al 0.9 Ga 0.1 As / n-Al 0.2 Ga 0.8 is formed on a substrate 32 that is n-GaAs. A lower multilayer reflector 33 in which a plurality of pairs of As are stacked, a lower cladding layer 35 formed of n-Al 0.3 Ga 0.7 As, an upper cladding layer 37 formed of p-Al 0.3 Ga 0.7 As, p- An
電流狭窄層38aは、たとえば上部多層膜反射鏡38の下端層に設けられている。この電流狭窄層38aは、実施の形態1における電流狭窄層3aと同様に、メサポストMP3の中軸上に非酸化領域である電流注入領域38cと、酸化領域38bとを有する。なお、電流狭窄層38aに対応するAlAs層は、上部多層膜反射鏡38内に形成されるほか、上部多層膜反射鏡38に隣接して形成されてもよい。
The current confinement layer 38 a is provided, for example, in the lower end layer of the upper multilayer-film
環状溝21cは、実施の形態における環状溝21と同様に、メサポストMP3形成のために設けられ、たとえば、図6に示すように、下部クラッド層35に達する深さにまでエッチングされている。
Similar to the
この環状溝21cの外側には、環状溝22cが形成されている。この環状溝22cは、実施の形態1における環状溝22と同様に、メサポストMP4を形成する環状溝21cを形成する前に形成され、少なくとも電流狭窄層38aに対応するAlAs層に達する深さの断面を有する。そして、実施の形態1と同様に、環状溝22cを形成した後に、酸化処理を行って電流狭窄層38aを形成している。そして、電流狭窄層38a形成後に、環状溝21cが形成され、メサポストMP3が形成される。なお、メサポストMP3は、エッチング工程の影響により略円錐台形状となる。また、環状溝21cおよび環状溝22cは、たとえば図2に示す場合と同様に、電流注入領域38cのほぼ中央を中心とした環形状を有する。
An
このように、実施の形態3によれば、n−GaAsである基板32を使用する場合も環状溝22cを形成した後に酸化処理を行い、メサポストMP3を形成するため、実施の形態1にかかる面発光レーザ素子と同様に、酸化処理に起因する各層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子を実現することができる。
As described above, according to the third embodiment, even when the substrate 32 made of n-GaAs is used, the mesa post MP3 is formed by performing the oxidation treatment after forming the
なお、図6に示す面発光レーザ素子31においては、環状溝22cは下部多層膜反射鏡33の上部層に達する深さを有するが、電流狭窄層38aを形成するため、少なくとも上部多層膜反射鏡38内の電流狭窄層38aに対応するAlAs層に達する深さであれば足りる。たとえば、環状溝22cの深さを、活性層6の上部に位置する上部クラッド層37に達する程度に浅くしてもよい。この場合、メサポストMP3を形成するために設けられる環状溝21cは、必ずしも活性層5を分断する深さにまでエッチングされていなくてもよい。環状溝22cを上部クラッド層37に達する深さとした場合には、活性層6の端面が酸化処理中に露出することがなく酸化処理による活性層6層の損傷の発生が少ない。したがって、環状溝21cを活性層6上の上部クラッド層37に達する程度に浅くした場合であっても、上部多層膜反射鏡38に対応する各層端面の損傷領域とメサポストMP3中の上部多層膜反射鏡38とを隔絶することができ、酸化処理における体積変化による活性層6への影響を低減することができる。
In the surface-emitting laser element 31 shown in FIG. 6, the
また、図3−1に示す積層処理と同様の処理を行った後、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって環状溝22cを形成し、図3−3〜図3−5に示す各処理と同様の処理を行い、面発光レーザ素子31を製造する。
Further, after performing the same process as the stacking process shown in FIG. 3A, an
(実施の形態4)
つぎに、実施の形態4にかかる面発光レーザ素子について説明する。図7は、本実施の形態4にかかる面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。図7に示すように、本実施の形態4にかかる面発光レーザ素子51は、半絶縁性のGaAs基板である基板52を使用している。
(Embodiment 4)
Next, a surface emitting laser element according to Embodiment 4 will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the surface emitting laser element according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 7, the surface emitting laser element 51 according to the fourth embodiment uses a substrate 52 that is a semi-insulating GaAs substrate.
基板52上に形成された下部多層膜反射鏡53の上端層には、電流狭窄層3aが形成されている。下部多層膜反射鏡53のうち、p側電極61の下面に接する層と、この層よりも活性層6近傍側の層とを有する層53eは、p型半導体によって形成される。これに対し、下部多層膜反射鏡53のうち、p側電極61の下面に接する層よりも基板52側に位置する層53fは、不純物がドーピングされていない半導体によって形成される。
A
メサポストMP4を形成する環状溝21dの底部には、p型電極61が形成されており、基板52の同一面側にn側電極10とp側電極61とが設けられた構成を有する。環状溝21dは、p側電極61とp型半導体によって形成された層53eとを電気的に接続するために、下部多層膜反射鏡53のうちp型半導体によって形成された層53eが露出する程度の深さである必要がある。
A p-
また、実施の形態1における環状溝22と同様に環状溝21dの外側に位置し電流狭窄層3a形成のために設けられる環状溝22dは、下部多層膜反射鏡53における不純物がドーピングされていない半導体によって形成された層53fに達する深さを有する。メサポストMP4部分と環状溝22dよりも外側の領域との電気的接続を断つ必要があるためである。なお、メサポストMP4は、エッチング工程の影響により略円錐台形状となる。
Similarly to the
このように、実施の形態4によれば、環状溝22dを形成した後に酸化処理を行い、メサポストMP4を形成するため、実施の形態1にかかる面発光レーザ素子と同様に、酸化処理に起因する各層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子を実現することができる。
As described above, according to the fourth embodiment, the oxidation process is performed after the
また、実施の形態4にかかる面発光レーザ素子51においては、下部多層膜反射鏡53全体に導電性を必要とせず、下部多層膜反射鏡53のうちp側電極61との接触層よりも基板52側に位置する層として不純物がドーピングされていない半導体を用いることができるため、光損失を低減することが可能になる。
Further, in the surface emitting laser element 51 according to the fourth embodiment, the entire lower multilayer film reflecting mirror 53 does not need to be conductive, and the lower multilayer film reflecting mirror 53 has a substrate that is closer to the contact layer with the p-
なお、図3−1に示す積層処理と同様の処理を行った後、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって溝22dを形成し、図3−3〜図3−5に示す各処理と同様の処理およびn側電極10、p側電極61および図示しない電極パッドの形成処理を行って面発光レーザ素子51を製造する。
In addition, after performing the process similar to the lamination | stacking process shown to FIGS. 3-1, the groove |
また、実施の形態4においては、上部多層膜反射鏡8についても不純物がドーピングされていない半導体、あるいはSiOx、SiNなどの誘電体を多層積層して構成し、n側電極10を上部クラッド層7上に配置する構造としてもよい。
In the fourth embodiment, the
また、上述した実施の形態1〜4にかかる面発光レーザ素子は、面発光レーザ素子を同一基板上に1次元または2次元に配列して集積したレーザアレイにも、適用可能である。かかるレーザアレイでは、レーザアレイの信頼性として、集積された複数の面発光レーザ素子の全てにおいて信頼性が要求されるため、本発明にかかる面発光レーザ素子の適用が効果的である。 The surface-emitting laser elements according to the first to fourth embodiments described above can also be applied to laser arrays in which surface-emitting laser elements are integrated in a one-dimensional or two-dimensional arrangement on the same substrate. In such a laser array, as the reliability of the laser array, reliability is required in all of the plurality of integrated surface emitting laser elements. Therefore, the application of the surface emitting laser element according to the present invention is effective.
1,31,51,101 面発光レーザ素子
2,32,52,102 基板
3,33,53,103 下部多層膜反射鏡
3a,38a,108a 電流狭窄層
3b,38b,108b 酸化領域
3c,38c,108c 電流注入領域
3d AlAs層
5,35,105 下部クラッド層
6,106 活性層
7,37,107 上部クラッド層
8,38,108 上部多層膜反射鏡
9 絶縁層
10,41,111 n側電極
11,40,61,110 p側電極
12,112 電極パッド
21,21a,21c,21d 環状溝
22,22a,22c,22d 環状溝
22b 孔
109 ポリイミド層
DL 転位
EA 発光領域
L レーザ光
MP1,MP3,MP4,MP5 メサポスト
1, 31, 51, 101 Surface emitting
Claims (14)
前記基板(2)上に、下部多層膜反射鏡(3)と、下部クラッド層(5)と、量子井戸構造の活性層(6)と、上部クラッド層(7)と、上部多層膜反射鏡(8)が順に積層された半導体積層構造と、
を有する面発光レーザ素子において、
前記活性層(6)中の発光領域を囲む第1の溝(21)と、
前記第1の溝(21)を囲む第2の溝(22)と、
を備え、
前記第1の溝(21)は、前記下部多層膜反射鏡(3)の上端層から上の積層部を含むメサポスト(MP1)を形成し、
前記下部多層膜反射鏡(3)の前記上端層と前記上部多層膜反射鏡(8)の下端層の何れか一方に、前記メサポスト(MP1)の中軸上に電流注入領域(3c)を有する電流狭窄層(3a)が、前記第2の溝(22)の側壁面からの酸化処理によってその一部領域が酸化されることで形成され、
前記上部多層膜反射鏡(8)の上部に、前記メサポスト(MP1)の上面部中央に開口部を有する第1の電極(10)が形成される、
ことを特徴とする面発光レーザ素子。 A substrate (2);
On the substrate (2) , a lower multilayer reflector (3), a lower cladding layer (5), an active layer (6) having a quantum well structure , an upper cladding layer (7), and an upper multilayer reflector A semiconductor stacked structure in which (8) are sequentially stacked;
In a surface emitting laser element having
A first groove (21) surrounding a light emitting region in the active layer (6);
A second groove (22) surrounding the first groove (21);
With
The first groove (21) forms a mesa post (MP1) including a stacked portion above the upper layer of the lower multilayer reflector (3),
A current having a current injection region (3c) on the central axis of the mesa post (MP1) in one of the upper end layer of the lower multilayer reflector (3) and the lower end layer of the upper multilayer reflector (8) A constriction layer (3a) is formed by oxidizing a part of the region by oxidation treatment from the side wall surface of the second groove (22),
A first electrode (10) having an opening at the center of the top surface of the mesa post (MP1) is formed on the upper multilayer reflector (8).
A surface emitting laser element characterized by the above.
前記第1の溝は前記下部クラッド層に達する深さを有し、
前記第2の溝は、前記電流狭窄層に達する深さを有する
ことを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ素子。 A second electrode is formed on the back surface of the substrate;
The first groove has a depth reaching the lower cladding layer;
The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the second groove has a depth reaching the current confinement layer .
前記第1の溝は、前記下部多層膜反射鏡のうち、前記第2の電極と電気的に接続する層に達する深さを有し、
前記第2の溝は、前記第1の溝より深く形成されていることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ素子。 A second electrode is formed at the bottom of the first groove;
The first groove has a depth that reaches a layer of the lower multilayer reflector that is electrically connected to the second electrode;
The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the second groove is formed deeper than the first groove .
前記半導体積層構造に対し、前記活性層中の発光領域を囲むように、少なくとも前記電流狭窄層となる層に達する深さの第2の溝を形成する工程と、
前記第2の溝を介して前記半導体積層構造の一部領域を酸化し、前記電流狭窄層を形成する工程と、
前記第2の溝の内側に、前記第2の溝と前記活性層中の前記発光領域を中心とする同心円をなすように、第1の溝を形成して、前記下部多層膜反射鏡の上端層から上の積層部を含むメサポストを形成する工程と、
前記上部多層膜反射鏡の上部に、前記メサポストの上面部中央に開口部を有する第1の電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。 A substrate, and a semiconductor multilayer structure in which a lower multilayer reflector, a lower clad layer, an active layer of a quantum well structure, an upper clad layer, and an upper multilayer reflector are sequentially laminated on the substrate; A surface-emitting laser device in which a current confinement layer having a current injection region in a light emitting region in the active layer is formed on any one of an upper end layer of the lower multilayer reflector and a lower end layer of the upper multilayer reflector. In the manufacturing method,
Forming a second groove having a depth reaching at least the current confinement layer so as to surround the light emitting region in the active layer in the semiconductor multilayer structure;
Oxidizing a partial region of the semiconductor multilayer structure through the second trench to form the current confinement layer;
A first groove is formed inside the second groove so as to form a concentric circle centering on the light emitting region in the active layer with the second groove, and an upper end of the lower multilayer reflector Forming a mesa post including a laminate portion above the layer;
Forming a first electrode having an opening in the center of the upper surface of the mesa post on the upper multilayer reflector;
A method for manufacturing a surface-emitting laser element comprising:
前記第1の溝は、前記下部クラッド層に達する深さを有するように形成し、The first groove is formed to have a depth reaching the lower cladding layer,
前記第2の溝は、前記電流狭窄層に達する深さを有するように形成する、The second groove is formed to have a depth reaching the current confinement layer.
ことを特徴とする請求項8に記載の面発光レーザ素子の製造方法。The method of manufacturing a surface emitting laser element according to claim 8.
前記第1の溝は、前記下部多層膜反射鏡のうち、前記第2の電極と電気的に接続する層に達する深さを有するように形成し、The first groove is formed to have a depth reaching a layer electrically connected to the second electrode in the lower multilayer reflector.
前記第2の溝は、前記前記第1の溝より深く形成する、The second groove is formed deeper than the first groove.
ことを特徴とする請求項8に記載の面発光レーザ素子の製造方法。The method of manufacturing a surface emitting laser element according to claim 8.
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